室内环境下的车间巡逻机器人

论文总字数：25621字

摘 要

巡逻机器人是随着机器人技术和社会经济的迅猛发展、公共场所对移动性巡逻保安的需求日益迫切的环境下而产生的一类新型机器人。车间巡逻机器人应用于工厂车间、仓库等环境，有利于加强车间内部管理。本文对车间巡逻机器人进行了设计与研究，并取得了一定成果。

论文主要完成的工作包括：

首先，在对车间环境进行一定简化的基础上，确定巡逻机器人的总体设计方案。巡逻机器人采用轮式机械结构，控制系统基于嵌入式单片机控制。该方案具有一定的扩展性，能为今后巡逻机器人增加自主充电、环境温度检测等功能提供便利。

其次，对机器人的机械机构进行了详细分析与设计。机器人运动部分采用可实现原地转向的两轮差动方案，并选用万向轮进行支撑，既保证机构的稳定性又不干扰机器人移动。

然后，搭建巡逻机器人的控制系统。根据系统总体功能要求，设计循迹、驱动、语音、通信等模块，详细研究分析各模块的特征。结合各模块控制原理，设计控制的总体流程和地图模型算法。

最后，进行整体试验。对试验时出现的运行状况作详细分析研究，改善设计方案。并通过嵌入式软件编程，使机器人能够扫描未知环境，完成路径巡逻功能。

试验结果表明，本文设计的巡逻机器人可协调多传感器工作，实现简易地图模型的记录和路径巡逻功能。

关键词：巡逻机器人，机械结构，控制系统

Indoor workshop patrol robot

02011312 Hu Yubo

Supervised by Zhang Zhisheng、Dai Min

Abstract:

Patrol robot is a new type of robots which is bornd with the rapid development of robot technology and social economy and the demand for mobile patrol security in public places is becoming pressing. This paper designs and researches the workshop patrol robots and achieved some results.The key points can be demonstrated as follow:

Firstly, The overall design scheme is established based on the simplification of the workshop environment. The patrol robot adopts the wheeled structure and the control system is based on the embedded MCU.This scheme has some expansibility, which can provide the convenience for the future patrol robot to increase the autonomous charge, environmental temperature detection and other functions.

Secondly, the robot mechanism is analyzed and designed in detail. In the robot motion part, the two wheel differential scheme can be realized and the supporting of the universal wheel is used to guarantee the stability of the mechanism and the robot is not disturbed.

Then, the control system of patrol robot is built.. According to the requirements of the overall function of the system, the design of tracking, driver, speech and communication module. A detailed study of characteristics of each module. Combined with the control principle of each module, the overall process of design and map model algorithm are also designed.

Finally, the whole experiment is carried out.. Analyze the running status of the test, improve the design scheme.And through the embedded software programming, the robot can scan the unknown environment and complete the route patrol function.

The results show that the patrol robot designed in this paper can coordinate the multi-sensor work, and realize the record and route patrol function of the simple map model..

Keywords: patrol robot, mechanical structure, control system

目录

摘要： I

Abstract: II

1.绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2巡逻机器人的研究现状及发展趋势 1

1.2.1国内外研究现状 1

1.2.2关键技术研究现状 3

1.2.3 巡逻机器人的发展趋势 4

1.3论文的组织结构 4

2.1 系统功能分析 5

2.2 系统方案设计 5

2.2.1机械结构概述 5

2.2.2 控制系统概述 6

2.3 小结 7

3 机械结构设计 8

3.1 车体结构设计 8

3.2 车体材料选择 9

3.2.1 车身及电机选择 9

3.2.2万向轮选择 9

3.3 整体装配 10

3.4 小结 10

4 控制系统设计 11

4.1 控制系统硬件设计 11

4.1.1 控制电路设计 11

4.1.2单片机 12

4.1.3 驱动模块 12

4.1.4 语音模块 13

4.1.5 通讯模块 13

4.2控制系统软件设计 14

4.2.1驱动模块控制 14

4.2.2循迹定位模块控制 15

4.2.3语音模块控制 17

4.2.4 通讯模块控制 18

4.2.5 总控制流程 20

4.3 建立地图模型算法 21

4.4 本章小结 22

5 系统的总体实现 23

5.1 硬件组装 23

5.2 软硬件调试 23

5.2.1 转向函数调试 23

5.2.2 编码器试验 24

5.3整体试验 25

5.4 小结 25

6 总结与展望 26

6.1 主要成果 26

6.2 研究展望 26

致谢 27

参考文献： 28

室内环境下的车间巡逻机器人

1.绪论

1.1 课题背景及意义

机器人作为人类的新型生产工具，在减轻劳动强度，提高生产率，改变生产模式，把人从危险、恶劣、繁重的工作环境下解放出来等方面，显示出极大的优越性^[1]。进入21世纪以来，因计算机网络技术、通信技术以及嵌入式控制技术的不断成熟和迅猛发展，机器人技术研究已经到了一个崭新的阶段。随着机器人技术的不断进步，智能化可移动机器人作为一个重要的分支，其应用领域正在不断被拓宽^[2]，尤其在如今的生产制造行业，智能化送料分类，流水线加工，自动化处理已是屡见不鲜。在工厂、车间，除了加大对改善机器效率，促进生产力的研究外，工程师们已经开始着眼于用来加强车间管理，预防突发情况的巡逻机器人研究。

巡逻机器人是一个集环境感知、路线规划、动态决策及行为控制于一体的多功能综合系统^[3]。车间巡逻机器人，主要以室内的工厂、仓库、车间为工作环境，室内环境相比于室外环境，具有结构化程度高，不确定因素影响小的优点。机器人通过环境的感知，路径的识别，最终按选定的巡逻路径进行巡逻。并且，通过多传感器的配合，机器人可以在巡逻的基础上实现例如路径记录，语音报警，温度检测等多种对应于工作环境的辅助功能。

以我国为例，每年发生在工厂车间的大小安全事故不下万起，2014年江苏昆山某金属制品公司因空气中粉尘浓度过高而导致爆炸，伤亡惨重的新闻让人记忆犹新。其中虽有不少事故是由工作人员操作不当引起的，但车间内存在的安全隐患，车间主干道上堆放的工件，无人监测时车间内部不良的环境状况等都是引起事故的原因。如果能在车间内部配备巡逻机器人，并在机器人上安装能够检测环境粉尘浓度的传感器，那么也就相当于有了针对类似事故的预警装置，多了一份安全性保障^[4]。

综上，利用车间巡逻机器人的环境感知和自主移动能力，可以加强车间内部管理。同时若将巡逻机器人同各大智能安保系统相结合，可增强巡逻区域内部的安全性。因此对巡逻机器人的研究，具有重要的理论意义和实用价值。

1.2巡逻机器人的研究现状及发展趋势

欧美国家在巡逻机器人产品研发方面起步较早，开始于20世纪70年代，至今已有40多年的历史，成绩斐然，在各大关键技术领域均有突破^[5]。

1.2.1国内外研究现状

巡逻机器人一般分为室内和室外两种类型，目前，在一些发达国家，已经采用巡逻机器人对大型楼宇、机场、交通枢纽、仓储基地、军事基地等的安保工作。日本的Tmsuk公司与三洋电机公司在2003年设计推出的四足机器人“番龙”如图1-1，这款机器人使用语音识别和语音合成技术，是用于看家的实用型步行机器人。该机器人具有能够感知是否有人和声音，根据温度变化发出警报，并能与主人的手机进行联络等功能。该四足机器人的主人还可以使用电视电话手机或PHS进行遥控操作，并通过其内置相机来确认家中情况^[6]。美国加州硅谷2014年年底由Knightscope公司研究推出的一款K5巡逻机器人如图1-2。其机身上装有一个360度的摄像头，可以捕捉附近行人的情况，若出现突然间躺下或突然间下蹲又或者是突然开始快速移动的情况，该画面都会被K5的摄像头捕捉到。同时它还拥有一只电子耳，可以检测收听周围出现的声音，然后它对捕捉到的视频画面和听到的音频进行处理，发送给它的操控者。K5机器人系统装有大量的检测装置，可实现实时多功能监测^[7]。设计人员将大量预测分析软件植入K5系统中，只要通过众多传感器检测巡逻场地的各项指标，将收集到的得到的指标通过预测分析系统处理，结合相应的安全数据库，就能最终确定警报级别。如果确定为警报，K5机器人将通过轮子在场地周围四处移动，对周围环境进行检测，对所有重要信息进行实时传输和记录。

图1-1 番龙机器人	图1-2 K5机器人
图1-3 安保巡逻机器人	图1-4 公共型家用安保机器人

虽然国内对巡逻机器人的研究起步比较晚，但是在巡逻机器人领域的发展却是十分迅速，国内许多科研机构和高校都投入大量的人力物力来研究巡逻机器人。2006年，在中国民航地面特种设备研究基地机器人研究所，研发成功了国内首款安保巡逻机器人如图1-3所示。该款机器人可以实现自主避障导航及自主充电功能，也可以按照操作人员的指定，在没有人为干扰的情况下完成对指定路线或随机路线的巡逻，并且还能够对视觉信息及语音信息进行远程传输与监控，也可检测巡逻场地周围环境烟雾火灾等异常情况^[8]。哈尔滨工业大学机器人研究所在2007年3月推出的公共型家用安保机器人如图1-4所示。它集智能安保技术、移动机器人技术和信息技术于一体，能检测和发送由红外线、温度、烟雾、摄像等多路传感器的信息。同时，在其内部配备了基于GSM的远程监控单元，实现了安保机器人基于SMS短消息的无线报警功能^[9]。另外，该机器人具有电子邮件自动收发、电话查询、语音和触摸屏控制等多项功能，可根据室内环境进行自主式路径巡逻、避障。

1.2.2关键技术研究现状

（1）巡逻机器人的导航与定位技术

机器人导航的基本任务包括基于环境理解的全局定位、目标识别和障碍物检测以及安全保护^[10]。根据采用硬件的不同，又可分为视觉导航系统^[11]和非视觉导航系统，非视觉导航系统主要包括光反射导航、GPS导航^[12]、声音导航以及电磁导航^[13]。目前，通过视觉导航和其他传感器相融合的技术是巡逻机器人导航的主要研究方向。

电磁导航，是让低频的电流流过导航路径下的电缆，然后在机器人身上安装检测电缆周围磁场的线圈，并以该信息为导航方向，实现沿规定路径的导航控制；超声波导航，在巡逻机器人身上装超声波传感器，发射与接收为一体，其优点为硬件结构简单，廉价可靠，但其信息传送速度较慢，传感器的角度分辨率不高；视觉导航，通常采用CCD敏感元件，采用摄像机来感知地面上的有色路径，随着视频设备，计算机硬件设备性能的不断完善以及图像处理方法的不断改进，视觉导航将会有更大的应用价值^[14-17]。

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